室內定位技術研究

龔峰　宋熠

摘要：近年來，隨著科技的進步和發(fā)展，人們對室內定位的需求越來越多，各種室內定位技術蓬勃發(fā)展起來。本文對現(xiàn)有的幾種室內定位技術的工作原理進行了闡述，每種技術選取了一個典型系統(tǒng)進行研究，包括其系統(tǒng)結構、定位原理、定位精度，闡述了各個定位技術的優(yōu)缺點和局限性，最后對各定位技術進行了對比，分析了各個定位技術的應用場景，并指出需要根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的定位技術。

關鍵詞：室內定位；定位技術；定位方法

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.003

0 引言

隨著美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GlobalOrbiting Navigation Satellite System，GLONASS）、我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite svstem，BDS）以及歐盟伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GalileoSatellite Navigation System，GALILEO）的蓬勃發(fā)展，室外定位技術已經非常成熟，人們可以很容易地在室外進行路線導航、地址定位，精度非常高。然而，上述四種定位系統(tǒng)采用的是衛(wèi)星定位技術，在室內衛(wèi)星信號受到屋頂以及其他障礙物的遮擋，無法進行定位，因此需要發(fā)展其他的室內定位技術。室內定位的應用非常廣泛。在醫(yī)院，需要對某些特殊病人進行實時定位，以確保其安全；在商場或超市，如果能對小孩進行定位，就不用再擔心走丟；在展覽館，對參觀者進行定位，可以做到講解的有的放矢；在發(fā)生火災或其他突發(fā)事件時，還可以對被困者進行定位以實施有效救援。

本文針對目前已有的室內定位技術進行了研究，每種技術選取一種典型系統(tǒng)進行分析，闡述了該系統(tǒng)的定位原理，分析了已有室內定位技術的優(yōu)缺點，對已有室內定位技術進行了對比，提出要根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的定位技術。

1 已有室內定位技術介紹

室內定位是指在室內環(huán)境中進行位置定位，從而實現(xiàn)人員、物體等在室內空間中的位置監(jiān)控。目前的室內定位技術主要有基于紅外線的室內定位技術、基于超聲波的室內定位技術、基于超寬帶（Ultra-wideband，UWB）的室內定位技術、基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的室內定位技術、基于無線局域網（Wireless Local AreaNetwork，WLAN）的室內定位技術和基于藍牙的室內定位技術。

1.1 基于紅外線的室內定位技術

紅外線是波長介于微波和可見光之間的電磁波，具有可見光的特征，即沿直線傳播，會被障礙物遮擋?；诩t外線的室內定位技術一般包括兩種組件：紅外線發(fā)射器和光學接收器。

典型的基于紅外線的室內定位系統(tǒng)是Roy等人在1992年提出的Active Badge系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計了一種特殊的標簽，周期性地發(fā)射紅外線信號，待定位者攜帶這種標簽，其發(fā)射的周期性的信號會被室內布置的光學接收器傳感網絡接收到，傳感器將這些信息發(fā)送給中央控制器進行數(shù)據(jù)處理，就可以得到待定位者的位置信息。

該系統(tǒng)的定位精度取決于光學接收器的分布密度，在權衡成本和定位精度的要求后，該系統(tǒng)每隔6米設置—個光學接收器。但是，由于紅外線可以通過反射被傳感器捕捉到，因此該定位系統(tǒng)不能判斷待定位者的方向信息。出于對標簽能量供應的考慮，系統(tǒng)每隔15秒發(fā)射一次紅外線，然而在15秒的時間內物品的位置可以發(fā)生很大變化，做不到實時定位，因此該系統(tǒng)只適用于位置變化很緩慢的情況。另外，系統(tǒng)要求能定位在同一位置的多個待定位者，因此，設置持續(xù)時間為0.1秒的紅外線可以有效降低兩個紅外線可能發(fā)生干擾的概率。

1.2 基于WLAN的室內定位技術

WLAN是在有線局域網的基礎上發(fā)展而來的。在無線局域網中，終端設備通過電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸，不再需要固定的連接方式，網絡非常靈活便捷。WLAN系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。智能手機、筆記本電腦等移動終端通過電磁波與無線接入點進行通信，無線接入點通過有線方式接入到以太網中，從而實現(xiàn)各個網絡設備之間的信息傳輸。

基于WLAN技術的典型室內定位系統(tǒng)是微軟公司在2000年提出的RADAR系統(tǒng)。RADAR系統(tǒng)中，在特定的位置布置無線接入點，待定位者攜帶可以接收無線信號的設備進行定位。由于室內環(huán)境復雜，無線信號受到多徑、反射、障礙的干擾，其信號強度的傳播模型很難建立。針對這一問題，RADAR系統(tǒng)采用了基于RSSI（Received SignalStrength Indication，接收信號強度）的指紋定位法，即在待定位區(qū)域內選取一系列的參考節(jié)點，收集待定位者在每一個參考節(jié)點接收到的所有無線接入點的信號強度，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。當待定位者進入WLAN覆蓋區(qū)域時，根據(jù)其接收到的所有基站的信號強度，與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，就可以得到待定位者的位置。這種方法可以有效解決室內無線信號因為多徑、反射、障礙而產生的噪聲干擾問題。RADAR系統(tǒng)的定位精度可以達到2-3米。

RADAR系統(tǒng)也存在缺陷。當待定位區(qū)域的環(huán)境改變導致無線信號的傳播路徑發(fā)生改變時，各參考節(jié)點的信號強度就會發(fā)生改變，只能重新進行測量建立新的信號強度數(shù)據(jù)庫，定位系統(tǒng)才不會失效。

1.3 基于藍牙的室內定位技術

藍牙是一種基于短波特高頻的無線通信技術，可以用來在短距離設備之間傳遞數(shù)據(jù)。藍牙4.0是藍牙技術聯(lián)盟（Bluetooth SIG）于2010年推出的新規(guī)范，大大降低了使用藍牙進行通信的功耗，提高了傳播速度和通信距離。

文獻提出了一種基于藍牙4.0技術的室內定位系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示。在室內特定位置安裝藍牙信號發(fā)射器，每隔一定時間發(fā)射一次信號，待定位者攜帶可以接收藍牙信號的設備，當接收器接收到不同發(fā)射器的信號后，通過接收到的信號強度以及相應的算法就可以計算出待定位者的位置。系統(tǒng)的定位精度可以達到2-4米。

1.4 基于RFID的室內定位技術

RFID采用電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸。RFID技術主要包括兩種組件，標簽（tag）和閱讀器（Reader）。標簽內存儲著一定的信息，閱讀器可以讀取標簽內的信息，也可以向標簽內寫入信息。它們是通過內置于閱讀器中的天線發(fā)射的電磁波來進行通信的，因此RFID技術具有非接觸、非視距的特點。RFID標簽體積小、制作成本低、使用壽命長，因此在室內定位方面得到了廣泛應用。

最經典的基于RFID技術的定位系統(tǒng)為LANDMARC系統(tǒng)，其原理如圖3所示。在待定位區(qū)域內設置位置已知的閱讀器和參考標簽，系統(tǒng)對閱讀器檢測到的待定位標簽與參考標簽的RSSI（Received Signal Strength Indication，接收到的信號強度）值進行比較，找出與待定位標簽位置相近的參考標簽，賦予其不同的權重，與待定位標簽信號強度越接近的參考標簽權重越大。最后，根據(jù)近鄰參考標簽的實際位置和權重值計算出待定位標簽的位置。該系統(tǒng)的定位精度受到閱讀器數(shù)量、參考標簽密度、算法中選擇的近鄰標簽數(shù)以及室內環(huán)境的影響，基本的定位精度在1-2 m范圍內。

1.5 基于UWB的室內定位技術

UWB是一種無載波通信技術，它不使用正弦信號來傳送數(shù)據(jù)，而是利用脈沖信號來傳送。它具有以下特點：高數(shù)據(jù)速率、功耗低、穿透力強、成本低。UWB可以有效減少非視距和多徑傳播所帶來的誤差。UWB定位系統(tǒng)通過附著在物體上的小型UWB標簽實現(xiàn)對物體的三維動態(tài)定位。

Ubisense公司的UWB定位系統(tǒng)原理如圖4所示。該系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括UWB傳感器和UWB標簽。UWB傳感器以蜂窩方式組網，布置在待定位區(qū)域內，以確保待定位區(qū)域被完全覆蓋。每個傳感器包含一個射頻信號收發(fā)器以及UWB信號接收器的相控陣。UWB標簽由待定位者攜帶，包含一個射頻信號收發(fā)器以及一個UWB信號發(fā)射器。待定位的UWB標簽向周圍發(fā)射UWB脈沖，UWB傳感器接收到信號以后結合TDOA（TimeDifference of Arrival，到達時間差）方法和AOA（Angle of Arrival，到達角度）方法來進行定位。利用UWB技術僅用兩個傳感器就可以實現(xiàn)對待定位標簽的三維定位。系統(tǒng)定位精度可以達到15cm。

1.6 基于超聲波的室內定位技術

超聲波是指頻率超過人耳可聽到的最高頻率達到20 kHz的聲波，可以在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)介質中傳播。

最早的基于超聲波的室內定位系統(tǒng)是由AT&T實驗室開發(fā)，其系統(tǒng)結構如圖5所示。該系統(tǒng)在屋頂上每平方米安裝一個超聲波接收器，這些接收器通過物理連接線形成一個網絡，并且與中央控制器相連。待定位者攜帶超聲波發(fā)射器，利用三角定位法，通過計算待定位者發(fā)射的超聲波到達接收器的時間來進行定位。

由于系統(tǒng)是通過時間來進行定位的，超聲波發(fā)射器與接收器的時間同步就至關重要。中央控制器通過無線電波控制待定位者攜帶的超聲波發(fā)射器，因此中央控制器可以同時通過有線和無線的方式分別控制超聲波接收器和發(fā)射器，從而實現(xiàn)時間同步。該系統(tǒng)可以識別用戶的方向信息，定位精度可達到3 cm。系統(tǒng)每20毫秒更新一次位置信息，實時性非常好。但是，由于需要數(shù)量眾多的超聲波接收器進行有線連接，成本比較高，且不易于擴展。

2 各種室內定位技術的對比

每種定位技術都有其特點，相應的定位系統(tǒng)的定位精度、成本及其本身的局限性都有所不同，如表1所示。

由于紅外線沿直線傳播，并且容易受到燈光干擾，一般應用于物體運動線路比較固定的定位過程中。紅外線傳感器成本比較低，因此一般布局比較密集?？紤]到其定位精度不高的缺點，常常與其他定位技術一起使用。例如，在文獻中提出了一種結合紅外線與超聲波技術的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，物體運動軌道固定，沿著其運動軌道布置紅外線發(fā)射器，運動物體攜帶紅外線接收器，當其接收到紅外線信號時再利用超聲波進行定位。

基于WLAN的定位技術通常利用已有的Wi-Fi設備來收集待定位物體的信息，通過定位引擎進行計算，計算量比較大，因此需要一個強大的定位引擎。華為等設備公司均提出了相應的解決方案。

藍牙4.0技術大大降低了藍牙通信的功耗，解決了傳統(tǒng)藍牙定位功耗高的問題，因此得到了廣泛應用。目前針對藍牙室內定位技術的研究主要在減少噪聲干擾、改進定位算法方面，以提高定位精度。

由于RFID的通信距離較短，因此適用于待定位物體與傳感器距離較近的情況。例如清華大學劉云浩團隊設計的“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”，通過在行李傳送帶兩邊設置RFID傳感器來進行定位。他們通過研究，提出“差分增強全息圖”（Differential Augmented Hologram，DAH）定位方法，將基于RFID的室內定位技術精度提高到毫米級；

基于UWB的室內定位技術抗多徑效應和電磁干擾能力都很強，因此精度較高，但是由于硬件要求高，其成本也比較高。

超聲波定位的精度也比較高，同樣由于硬件設備復雜，成本偏高。

可以看出，每種定位技術都有其自身的特點，在實際的使用過程中，需要根據(jù)不同的情境選擇不同的室內定位技術，或者將幾種定位技術結合使用。還有一部分學者提出了新的定位技術，例如使用可見光進行室內定位，利用陀螺儀、加速度計等多種傳感器進行室內定位。相信通過國內外學者的不懈努力，室內定位技術會越來越成熟。

3 結束語

室內定位在人們的生產生活中發(fā)揮著非常重要的作用，研究定位精度更高、成本更低的室內定位技術有利于國家發(fā)展和社會進步。本文介紹了現(xiàn)有的幾種室內定位技術，并且每種技術選取了一種典型系統(tǒng)對其定位原理、系統(tǒng)結構、定位精度進行了描述，對比了各種定位技術的優(yōu)缺點，指出了每種技術的局限性，分析了每種技術的應用場景。希望通過本文能使讀者對室內定位技術有一個基本的了解，在此基礎上為室內定位技術的發(fā)展添磚加瓦。